生物大分子是细胞形成的基础
美国科学家F Fox发现，将各种氨基酸混合，置于130～180℃下加热1个小时，或加入多磷酸后60℃温育较长时间后，多核苷酸也能按照这种方式生成。据此科学家认为，在原始地球上形成的有机小分子经过长期的进化和选择，逐渐聚合成生物大分子。核苷酸之间通过磷酸二酯键相连接，并逐步形成线性多核苷酸，氨基酸之间能够通过肽键相连接形成多肽。生命的设计就是生物大分子核酸和蛋白质的设计，生命的标志就是自然界出现代谢着的核酸和蛋白质。
（一）核酸
核酸是1869年Miescher从脓细胞中发现的。
1.核酸的化学组成 核酸分为两类：核糖核酸、脱氧核糖核酸。
组成核酸的碱基共有5种：腺嘌呤（adenine，A）、鸟嘌呤（guamine，G）、胞嘧啶（cytosine，C）、胸腺嘧啶（thymine，T）和尿嘧啶（uracil，U）（图1-1-1）。
图1-1-1 5种嘌呤和嘧啶的分子结构
DNA分子中的戊糖是D-2-脱氧核糖（即第二位碳原子上没有羟基相连），所以称之为脱氧核糖核酸。而RNA分子中的戊糖未脱氧（即第二位碳原子上有羟基相连），所以称为核糖核酸（图1-1-2）。
图1-1-2 核糖（a）与脱氧核糖（b）的分子结构
碱基与戊糖缩合即成为核苷；根据戊糖的组成不同，核苷又可分为核糖核苷和脱氧核糖核苷。核苷的戊糖羟基与磷酸形成酯键，即成为核苷酸。组成DNA的核苷酸共有4种，即脱氧腺苷酸（dAMP）、脱氧鸟苷酸（dGMP）、脱氧胞苷酸（dCMP）和脱氧胸苷酸（dTMP）；而组成RNA核苷酸则为另外4种，它们是腺苷酸（AMP）、鸟苷酸（GMP）、胞苷酸（CMP）和尿苷酸（UMP）。此外，有时磷酸可同时与核苷上的2个羟基形成酯键，这就形成了环化核苷酸3'，5'-环腺苷酸（3'，5'-cyclic adenosine acid，cAMP），同时，与核苷结合的磷酸基团可以是一个，也可以更多，如腺苷三磷酸（adenosine triphosplate，ATP）（图1-1-3）。
图1-1-3 3'，5'-cAMP和ATP的分子结构
2.DNA的结构与功能 组成DNA分子的脱氧核苷酸之间是通过磷酸二酯键连接在一起的，磷酸二酯键使上一个核苷酸脱氧核糖3位碳上的羟基与后一个核苷酸脱氧核糖第五位碳上的磷酸结合，这样一一相连成为一条长的多核苷酸链（图1-1-4）。这样的长链必然有两个末端，一个是核糖的5'末端，在此末端往往有磷酸相连，因而一般称为5'磷酸末端；另一个是核糖的3'末端，因其往往是游离羟基，所以也称3'羟基末端。
图1-1-4 多核苷酸链中的磷酸二酯键
DNA的一级结构就是指核苷酸在DNA分子中的排列顺序。由于DNA分子十分巨大，最小的DNA分子也包含了几千个碱基对，相对分子质量在106Da以上。
1953年，Watson和Crick提出了著名的DNA分子双螺旋结构模型：脱氧核糖与磷酸交替排列构成了DNA的主链，每个DNA分子由两条这样的主链组成；两条链围绕着同一个中心轴形成螺旋，但走向相反，即一条链中磷酸二酯键连接的核苷酸方向是5'→3'，另一条则是3'→5'，螺旋的直径为2 nm。由于糖与磷酸是亲水的，碱基是疏水的，因此主链在螺旋的外侧，而与戊糖相连的碱基处于螺旋的内部。同时，在双螺旋内侧，DNA两条链中所含的碱基通过氢键形成互补的碱基对（A=T、C≡G）（图1-1-5），每一碱基对位于同一平面上，并垂直于螺旋轴。相邻2个碱基对之间旋转36°，沿DNA分子长轴方向相距0.34 nm，因此每10个碱基对旋转1圈（360°），双螺旋的螺距为3.4nm（图1-1-6）。
图1-1-5 DNA双链间的氢键形式（分子结构式）
图1-1-6 DNA双螺旋结构图解
作为遗传信息的携带者，DNA分子能够转录为RNA和翻译为蛋白质；同时，DNA分子还能够将它所携带的遗传信息精确地复制和传递给后代细胞。此外，作为遗传的物质基础，DNA分子中的碱基序列改变将对其所决定的蛋白质组成和功能有重要的影响，并可导致多种疾病。例如，人类的镰刀状红细胞贫血症就是因第十一号染色体上决定血红蛋白组成的DNA分子的一个小区段发生了单个碱基的改变（A→T），导致血红蛋白组成上的异常变化，从而引起的严重疾病。如果DNA的某一段碱基序列所决定的蛋白质是一种酶，那么，当该序列的组成发生变化的时候，将造成这种酶结构的改变，继而引起它所催化的代谢过程发生中断或紊乱。苯丙酮尿症是由于缺少苯丙氨酸羟化酶，导致苯丙氨酸无法正常代谢所造成的，而白化病是由于缺乏酪氨酸酶致使黑色素无法正常形成所导致的。
3.RNA的结构与功能 与DNA相似，RNA分子也是由一定数量的核苷酸彼此间通过磷酸二酯键相连而成的长链状结构，但与DNA相比存在着以下不同：组成RNA的4种基本核苷酸是腺苷酸（AMP）、鸟苷酸（GMP）、胞苷酸（CMP）和尿苷酸（UMP），在碱基组成中尿嘧啶代替了DNA分子中的胸腺嘧啶，而且其中的戊糖为核糖。同时，绝大部分RNA分子都是单链，在RNA分子的某些区域，有时可通过单链回折进行碱基互补配对，形成局部假双链结构。此外，在哺乳动物中，RNA的含量要高于DNA。根据RNA分子结构和功能的不同，可将它分为三类，即信使RNA（mRNA）、转移RNA（tRNA）、核糖体RNA（rRNA）。
mRNA约占细胞RNA总量的1%～5%，它的分子大小变异非常大，小到只含有几百个核苷酸，大到由近2万个核苷酸组成。mRNA的结构在原核生物和真核生物中有很大的差别，这里着重介绍真核生物中mRNA的结构特点：①5'端有帽子（cap）结构。所谓帽子结构就是在5'末端的第一个核苷酸都是7'氮上甲基化的鸟苷酸，而且它是以5'端三磷酸酯键与第二个核苷酸的5'端相连，而不是通常的3'，5'-磷酸二酯键（图1-1-7）；随后，在第二个核苷酸（有时还包括第三个核苷酸）核糖的第二位羧基上也甲基化，分割形成帽子0型、1型、2型。帽子结构可保护mRNA不被核酸外切酶水解，进入细胞质后可被核糖体小亚基识别并与之结合。②3'端有多聚腺苷酸尾巴（3'polyadenylate tail），其长度在20～200个腺苷酸之间。它的存在主要与mRNA寿命有关，可以使mRNA保持稳定而不易解聚，并可促使它由细胞核移入细胞质中。
图1-1-7 真核生物mRNA 5'端帽子结构（帽子2型）
tRNA约占细胞RNA总量的5%～10%，是单链小分子，含有73～93个核苷酸，相对分子质量约为25 000 Da。它在结构上的特点是：5'端总是磷酸化的，而且往往是pG，3'端是CCA三个碱基，在翻译过程中被激活的氨基酸即连接于此，形成氨酰-tRNA复合体，运输到核糖体上的mRNA特定位点；同时，tRNA分子中约半数的碱基互相配对形成双螺旋，其二级结构形状类似于三叶草，与3'、5'端对应的基部环形结构称反密码环，其中间的3个碱基构成了反密码子；反密码子的组成决定了该tRNA运输氨基酸的种类（图1-1-8）。tRNA是氨基酸的运输工具，将氨基酸运输到核糖体上，参与蛋白质的合成。(https://www.daowen.com)
图1-1-8 tRNA的二级结构和三级结构
rRNA约占细胞RNA总量的80%～90%；rRNA分子的大小一般都用沉降系数S表示，原核生物中的rRNA为23S、16S和5S三种，而真核生物中的rRNA为28S、18S和5.8S三种。rRNA一般呈线形，局部也有发夹式的双螺旋结构；rRNA与蛋白质结合共同组成了核糖体，对其行使正常功能具有重要作用。
（二）蛋白质
蛋白质普遍存在于生物界，是生物体内含量最多的有机成分。作为生命的物质基础，它不仅是细胞、组织的结构成分，而且几乎参与机体的一切生理活动，并在其中起着关键的作用。就人体而言，干重的45%是蛋白质，整个生命活动就是在各具独特功能的蛋白质的相互配合下完成的。
1.蛋白质的化学组成 蛋白质是由几十个至几百个的氨基酸组成的。氨基酸是蛋白质的基本结构单位。虽然自然界有300多种氨基酸，但参与组成蛋白质的只有20种。每个氨基酸均含有一个氨基（—NH2）、一个羧基（—COOH）和一条侧链（—R）（图1-1-9）。侧链的不同导致了20种氨基酸带电性和极性的不同。
图1-1-9 氨基酸分子结构式
蛋白质就是由许多氨基酸残基通过肽键依次缩合而形成的多肽链。肽键就是一个氨基酸的α氨基与相邻另一个氨基酸的α羧基间脱水后形成的共价键（图1-1-10）。由两个氨基酸残基缩合而成的化合物叫二肽，当氨基酸残基的数目在10个以上时则称为多肽。一般当其数目达到50～100个或以上，而且整个分子具有稳定的空间结构时才称其为蛋白质。
图1-1-10 氨基酸分子结构通式及肽键形式
2.蛋白质的分子结构 蛋白质分子的结构相当复杂，可分为一级、二级、三级和四级结构。蛋白质的一级结构指的是多肽链中氨基酸的种类、数目和排列顺序，一级结构本身虽不能直接赋予蛋白质以生理功能，但不同蛋白质的一级结构，决定着蛋白质各自特定的空间结构和功能，它是蛋白质的基本结构（图1-1-11）。
图1-1-11 胰岛素一级结构
蛋白质分子的二级结构是指肽主链原子的局部空间排布，是肽链上相邻近氨基酸残基之间主要靠氢键连接形成的局部有规律、重复的有序空间结构。它包括的基本构象单元有：α螺旋、β折叠、β转角、无规则卷曲和π螺旋及Ω环等。在此基础上，蛋白质分子或蛋白质亚基中肽链的空间排布构成了蛋白质分子的三级结构，如胰岛素分子即有接近球状的三级结构（图1-1-12）。蛋白质分子往往由几条多肽链构成，每条具有独立三级结构的多肽链即称为亚基，亚基间再排列组合成蛋白质分子的四级结构，如血红蛋白分子即包括2个α亚基和2个β亚基。
图1-1-12 胰岛素分子构象
几千年来，中药一直是人们防病治病的重要武器，过去一直认为动物或植物在生长过程中为了适应环境变化而产生的生物碱、萜类等特殊物质才是中药的有效成分，而像蛋白质这类维持其生长的结构物质是不具药效的。随着科学技术的不断发展，随着人们对客观世界认识的不断深入和变化，人们越来越深刻地认识到普遍存在于中药中的蛋白质成分，有些是具有显著的生物活性和一定的医疗价值的。如天花粉中的天花粉蛋白有抑制绒癌和中期妊娠引产作用，并可治疗恶性葡萄胎；牛黄中的水溶性蛋白质具有收缩平滑肌和降压作用；水蛭中的蛋白质具有抗凝血作用；相思豆毒蛋白对肝癌细胞有一定程度的抑制作用；麝香的抗炎活性成分，也在近年来的实验中被证实其所含的是多肽而不是过去认为的麝香酮。同时，许多酶制剂如胰蛋白酶、菠萝蛋白酶等可治疗炎症、水肿，分解坏死组织等疾患；番木瓜中的木瓜酶可作驱肠内寄生虫药。
（三）脂类
脂类是脂肪和类脂的总称，是一类不溶于水而易溶于有机溶剂的化合物。它广泛存在于人体内，是生物体的重要组分，是生物体不可缺少的能源物质。
1.三酰甘油 也称脂肪，是由一分子甘油和三分子脂肪酸组成的酯，其通式如下：其中，R1、R2、R3代表脂肪酸的羟链，它们可能相同，也可能不同。
2.类脂 包括磷脂、胆固醇和糖脂等，它们都是构成生物膜的重要物质，约占体重的5%。
（四）糖类
糖类化合物在自然界分布广泛。是一切生物体维持其生命活动所需能量的主要来源，是生物体的基本结构物质之一。近年来，随着研究的深入，糖类化合物在生物体中的广泛作用日益受到了人们的重视。糖类化合物与细胞的生长和分化、细胞识别、细胞与环境之间的相互作用等方面均有着十分密切的关系。
单纯的糖类化合物常按其组分分为单糖、寡糖和多糖。单糖、寡糖或多糖链与蛋白质或脂类共价结合成糖蛋白、糖脂等糖结合物的过程称为糖基化作用。如果糖类化合物中含有了这些非糖物质，则称其为复合糖类。
生物体内大多数蛋白质都是糖蛋白，糖蛋白是由多肽链和糖链通过糖肽键相连而构成的，其含糖量约为1%～85%。例如，酶、人血清蛋白、多肽激素、膜蛋白等组分中均含有相当比例的糖蛋白。
糖脂是含有糖类残基的脂质，存在于动物体内的主要是糖鞘脂类，是动物细胞膜、内质网膜的重要成分。糖鞘脂分子包括脑苷脂和神经节苷脂两大类。脑苷脂是由神经酰胺与一个葡萄糖或半乳糖连接而成；神经节苷脂是一类结构复杂的糖脂，其分子中含有唾液酸，故为酸性糖脂。